Quy trình công nghệ đo và xử lý tính toán bình sai kết quả đo gps để thành lập các mạng lưới trắc địa (thiết bị công nghệ gps của hãng trimble navigation)

MỤC LỤC
MỤC LỤC...................................................................................................................................... 1
MỞ ĐẦU 3
CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS.......................................................4
I.1 GIỚI THIỆU CHUNG:.............................................................................................................. 4
I.1.1 Phần điều khiển (Control Segment):...............................................................................4
I.1.2. Phần không gian (Space Segment):...............................................................................4
I.1.2.1 Chòm vệ tinh GPS:................................................................................................ 4
I.1.2.2 Cấu trúc tín hiệu GPS............................................................................................4
I.1.3. Phần sử dụng (User Segment):......................................................................................5
I.1.3.1 Các bộ phận của một thiết bị GPS trong phần sử dụng...........................................5
I.1.3.2 Những bộ phận chính của máy thu GPS................................................................5
I.2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG GPS:..............................................................6
I.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ BẰNG HỆ THỐNG GPS........................................................7
I.3.1 Phép định vị tĩnh và định vị động...................................................................................7
I.3.2 Phép định vị tương đối................................................................................................... 7
I.3.3 Phép định vị nhiều máy thu............................................................................................8
I.3.4 Phép định vị động tương đối..........................................................................................8
I.3.5 Cấu hình hình học GPS và độ chính xác.........................................................................8
I.3.6 Độ suy giảm chính xác................................................................................................... 9
I.4. CÁC NGUỒN SAI SỐ TRONG KẾT QUẢ ĐO GPS................................................................9
I.4.1 Sai số do đồng hồ........................................................................................................... 9
I.4.2 Sai số do quĩ đạo vệ tinh................................................................................................ 9
I.4.3 Sai số do tầng điện ly và tầng đối lưu.............................................................................9
I.4.4 Sai số do nhiễu tín hiệu:................................................................................................. 9
I.5 CÁC ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS..........................................10
1.5.1 Các ứng dụng trong trắc địa và bản đồ mặt đất............................................................10
I.5.2 Các ứng dụng trong giao thông và thông tin trên mặt đất.............................................10
I.5.3 Các ứng dụng trong trắc địa và bản đồ trên biển:..........................................................10
I.5.4 Các ứng dụng trong giao thông và hải dương học trên biển..........................................11
I.5.5 Các ứng dụng trong trắc địa và bản đồ hàng không......................................................11
I.5.6 Ứng dụng trong giao thông hàng không.......................................................................11
I.5.7 Các ứng dụng trong thám hiểm không gian..................................................................11
I.5.8 Các ứng dụng trong việc nghỉ ngơi giải trí...................................................................11
I.5.9 Các ứng dụng trong quân đội.......................................................................................11
I.6 SỰ PHÁT TRIỂN CỦA CÔNG NGHỆ GPS ĐO TĨNH TRONG GIAI ĐOẠN 1990 ĐẾN NAY12
I.6.1 Nâng cao độ chính xác đo tĩnh thông qua các biện pháp hạn chế sai số đo:..................12
I.6.2 Nâng cao độ chính xác tính toán nhờ các thuật toán mới:............................................13
I.6.3 Nâng cao khả năng công nghệ của GPS:.....................................................................13
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT KỸ THUẬT ĐO...............................................................................14
II.1 ĐỒ HÌNH VỆ TINH VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA MÔI TRƯỜNG.....................................14
II.2 ĐỒ HÌNH LƯỚI TRẮC ĐỊA ĐO BẰNG CÔNG NGHỆ GPS........................................14
II.3 ĐO GPS................................................................................................................................ 16
II.4 XỬ LÝ KHÁI LƯỢC CÁC TRỊ ĐO GPS (TÍNH BASELINES)............................................17
II.4.1 Nguyên lý tính cạnh (tính baselines)...........................................................................17
II.4.2 Phần mềm tính khái lược (tính cạnh)..........................................................................18
II.5 BÌNH SAI LƯỚI TRẮC ĐỊA ĐO BẰNG CÔNG NGHỆ GPS................................................20
1 / 26
II.6 VẤN ĐỀ XÁC ĐỊNH ĐỘ CAO ĐO BẰNG CÔNG NGHỆ GPS............................................21
CHƯƠNG 3: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ ĐO VÀ XỬ LÝ TÍNH TOÁN BÌNH SAI KẾT QUẢ ĐO
GPS ĐỂ THÀNH LẬP CÁC MẠNG LƯỚI TRẮC ĐỊA...................................................23
(Theo công nghệ GPS của hãng Trimble Navigation).................................................................................23
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................................................ 27
-2-
MỞ ĐẦU
Công nghệ ứng dụng hệ thống định vị toàn cầu GPS đã được đưa vào sản xuất ở Việt Nam từ
năm 1991. Trên cơ sở sử dụng 3 máy thu GPS của hãng TRIMBLE loại 1 tần số 4000-ST, Liên hiệp
KHSX Trắc địa bản đồ thuộc Cục Đo đạc và bản đồ Nhà nước lúc đó đã gấp rút thử nghiệm để đưa vào
sản xuất, nhằm đáp ứng yêu cầu xây dựng các mạng lưới toạ độ nhà nước ở những khu vực khó khăn
nhất của đất nước, mà bằng công nghệ truyền thống (phương pháp tam giác, đường chuyền) không có
khả năng thực hiện, hoặc phải chi phí rất lớn và trong thời gian dài mới thực hiện được. Trong những
năm 1991 đến 1994, theo kế hoạch nhiệm vụ do Cục Đo đạc và bản đồ Nhà nước giao, Liên hiệp KHSX
Trắc địa bản đồ đã xây dựng thành công các mạng lưới toạ độ nhà nước hạng II ở khu vực Minh Hải,
Sông Bé và Tây Nguyên, đồng thời đã xây dựng thành công mạng lưới trắc địa biển nối các đảo và quần
đảo xa ( kể cả Trường Sa ) với mạng lưới toạ độ nhà nước trên đất liền.
Từ đó đến nay, việc ứng dụng công nghệ GPS đã có những bước phát triển rất lớn. Từ chỗ chỉ có
3 máy thu GPS 1 tần số của hãng TRIMBLE, đến nay ở Việt Nam đã có trên 82 máy thu GPS các loại
của các hãng khác nhau, từ máy thu đặt trên máy bay, máy thu 2 tần số, máy đo động đến máy có độ
chính xác trung bình ( GEO EXPLORER ) để đo khống chế ảnh. Các lĩnh vực ứng dụng công nghệ GPS
hiện nay cũng rất đa dạng, từ ứng dụng để xây dựng các mạng lưới toạ độ nhà nước, độ chính xác cao,
khoảng cách lớn; ứng dụng trong dẫn đường và xác định toạ độ tâm chính ảnh khi bay chụp ảnh bằng
máy bay; xây dựng các mạng lưới toạ độ, độ cao địa chính cấp 1; dẫn đường và xác định toạ độ đo vẽ bản
đồ địa hình đáy biển; đo toạ độ, độ cao các điểm khống chế ảnh ngoại nghiệp; đo toạ độ độ cao các mốc
quốc giới; xây dựng các mạng lưới công trình v.v... Các phần mềm để xử lý tính toán bình sai các trị đo
GPS cũng đa dạng, chủ yếu là các phần mềm kèm theo máy thu, như TRIMVEC, TRIMVEC PLUS,
TRIMNET, TRIMNET PLUS, GPSURVEY, PHASE PROCESSOR, GEOMATIC OFFICE (hãng
TRIMBLE); GPPS (ASHTECH), v.v... và 1 phần mềm bình sai lưới GPS do Liên hiệp KHSX Trắc địa
bản đồ xây dựng.
Qua kết quả nghiên cứu và trực tiếp tham gia đo và xử lý, tính toán kết quả đo GPS chúng tôi
biên soạn tập tài liệu này để đồng nghiệp tham khảo. Tập tài liệu gồm 3 chương sau đây:
Chương 1: Giới thiệu hệ thống định vị toàn cầu GPS.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết kỹ thuật đo và xử lý tính toán bình sai kết quả đo GPS.
Chương 3: Quy trình công nghệ đo và xử lý tính toán bình sai kết quả đo GPS để thành lập các
mạng lưới trắc địa (thiết bị công nghệ GPS của Hãng Trimble Navigation)
-3-
CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS
I.1 GIỚI THIỆU CHUNG:
Hệ thống GPS là một hệ thống định vị vệ tinh tiếp theo sau hệ thống DOPPLER. GPS là từ viết
tắt của GLOBAL POSITIONING SYSTEM. Hệ thống này bắt đầu được nghiên cứu từ những năm 70 do
quân đội Mỹ chủ trì. Trong những năm đầu của thập kỷ 80 quân đội Mỹ đã chính thức cho phép dùng
trong dân sự. Từ đó các nhà khoa học của nhiều nước phát triển đã lao vào cuộc chạy đua để đạt được
những thành quả cao nhất trong lĩnh vực sử dụng hệ thống vệ tinh chuyên dụng GPS. Những thành tựu
này cho kết quả trong hai hướng chủ đạo là chế tạo các máy thu tín hiệu và thiết lập các phần mềm để
chế biến tín hiệu cho các mục đích khác nhau.
Cho tới năm 1988, các máy thu GPS do 10 hãng trên thế giới sản xuất đã đạt được trình độ cạnh
tranh trên thị trường. Vì lý do trên, giá máy đã giảm xuống tới mức hợp lý mang tính phổ cập. Mười hãng
trên thế giới sản xuất máy thu GPS bao gồm các hãng chính như: TRIMBLE NAVIGATION (Mỹ),
ASHTECH (Mỹ), WILD (Thụy sĩ), SEGSEL (Pháp), MINI MAX (Tây Đức). Theo dư luận thị trường
hiện nay máy thu của hãng TRIMBLE NAVIGATION đang được đánh giá cao nhất.
Về phương diện phần mềm của hệ thống GPS, chúng ta sẽ thấy tính đa dạng hơn của nó. Trị đo
thu được chỉ có một loại, đó là tín hiệu vệ tinh phát ra. Chế biến các tín hiệu này bằng các phương pháp
khác nhau, thuật toán khác nhau chúng ta có được các tham số hình học và vật lý khác nhau của trái đất.
Chúng ta có thể nói khả năng phần mềm là vô tận. Với các tín hiệu thu được chúng ta có thể tính được
tọa độ không gian tuyệt đối (với độ chính xác 10 m và có thể tới 1 m nếu sử dụng lịch vệ tinh chính xác),
số gia tọa độ không gian (độ chính xác từ 1 cm tới 5 cm), số gia tọa độ địa lý (độ chính xác từ 0.7 đến 4
cm), số gia độ cao (độ chính xác từ 0.4 cm đến 2 cm), và số gia trọng lực (độ chính xác 0.2 mgl). Ngoài
ra còn có thể có những tham số khác đang được nghiên cứu.
Toàn bộ phần cứng của hệ thống GPS có tên đầy đủ là NAVSTAR GPS SYSTEM. NAVSTAR
viết tắt chữ NAVIGATION SYSTEM WITH TIME AND RANGING.
Phần cứng này gồm 3 phần: phần điều khiển (Control Segment), phần không gian (Space
Segment) và phần sử dụng (User Segment).
I.1.1 Phần điều khiển (Control Segment):
Phần điều khiển gồm 8 trạm mặt đất trong đó có 4 trạm theo dõi (Monitor Station): Diego
Garcia, Ascension, Kwajalein và Hawaii; một trạm điều khiển trung tâm (Master Control Station) và 3
trạm hiệu chỉnh số liệu (Upload Station). Lưới trắc địa đặt trên 4 trạm này được xác định bằng phương
pháp giao thoa đường đáy dài (VLBI). Trạm trung tâm làm nhiệm vụ tính toán lại tọa độ của các vệ tinh
theo số liệu của 4 trạm theo dõi thu được từ vệ tinh. Sau tính toán các số liệu được gửi từ trạm trung tâm
tới 3 trạm hiệu chỉnh số liệu và từ đó gửi tiếp tới các vệ tinh. Như vậy trong vòng 1 giờ các vệ tinh đều có
một số liệu đã được hiệu chỉnh để phát cho các máy thu.
I.1.2. Phần không gian (Space Segment):
I.1.2.1 Chòm vệ tinh GPS:
Bao gồm 24 vệ tinh bay trên quỹ đạo có độ cao đồng nhất 20 200 km, chu kỳ 12 giờ, phân phối
đều trên 6 mặt phẳng quỹ đạo nghiêng với xích đạo một góc 55 o. Việc bố trí này nhằm mục đích để tại
mỗi thời điểm và mỗi vị trí trên trái đất đều có thể quan sát được 4 vệ tinh.
Mỗi vệ tinh phát 2 tần số sóng mang với tần số cao L1=1575.42 MHz và L2=1227.60 MHz. Loại
sóng này phát trên cơ sở dãy số tựa ngẫu nhiên bao gồm các số 0 và 1. Mã này được gọi tên là mã P
(Precise). Bên cạnh mã P sóng còn mang đi mã C/A (Clear/Acquisition) trong sóng L1. Mã C/A được
phát với 2 tần số 10.23 MHz và 1.023 MHz. Ngoài 2 mã trên vệ tinh còn phát mã phụ có tần số 50 Hz
chứa các thông tin về lịch vệ tinh. Các vệ tinh đều được trang bị đồng hồ nguyên tử với độ chính xác cao.
Các vệ tinh NAVSTAR có 2 trạng thái: "hoạt động khỏe" ( Healthy) và "hoạt động không khoẻ (
Unhealthy). Hai trạng thái của vệ tinh này được quyết định do 4 trạm điều khiển mặt đất. Chúng ta có thể
sử dụng tín hiệu của các vệ tinh ở cả hai trạng thái "hoạt động khỏe" và "hoạt động không khỏe".
I.1.2.2 Cấu trúc tín hiệu GPS
Mỗi vệ tinh đều truyền hai tần số dùng cho công việc định vị là tần số 1575,42 MHz và tần số
1227,60 NHz. Hai sóng mang này gọi là L1 và L2, rất mạch lạc và được điều chế bởi những tín hiệu khác
nhau.
Mã nhiễu giải ngẫu nhiên (PRN) thứ nhất được biết dưới cái tên là mã C/A (Coarse/Acquisite-
code), bao gồm một chuỗi các số cộng một và trừ một, được phát đi ở tần số fo/10= 1.023 MHz. Chuỗi
-4-
này được lặp lại sau mỗi mili giây đồng hồ. Mã nhiễu giải ngẫu nhiên (PRN) thứ hai, được biết dưới cái
tên là mã P (Precise - code), bao gồm một chuỗi các số cộng một và trừ một khác, được phát đi ở tần số
fo = 10,23 MHz. Chuỗi này chỉ lặp lại sau 267 ngày. Thời gian 267 ngày này được cắt ra làm 38 đoạn 7
ngày. Trong 38 đoạn này có một đoạn không dùng đến, 5 đoạn dùng cho các trạm mặt đất , theo dõi các
tàu thuyền sử dụng, gọi là trạm giả vệ tinh (Pseudolite), còn lại 32 đoạn 7 ngày dành cho những vệ tinh
khác nhau. Mã Y (Y-code) là mã PRN tương tự như mã P, có thể dùng thay cho mã P. Tuy nhiên phương
trình tạo ra mã P thì được công bố rộng rãi và không giữ bí mật, trong khi phương trình tạo ra mã Y thì
giữ bí mật. Vì vậy, nếu mã Y được sử dụng thì những người sử dụng GPS không có giấy phép (nói
chung là những người không thuộc quân đội Mỹ và đồng minh của họ) sẽ không thu được mã P (hoặc mã
Y).
Sóng mang L1 được điều chế bằng cả 2 mã ( Mã-C/A và Mã`-P hoặc mã Y), trong khi sóng
mang L2 chỉ bao gồm một Mã-P hoặc mã Y.
Các mã được điều chế trên sóng mang bằng cách giản đơn có ý thức. Nếu mã có trị số -1 thì
phase sóng mang đổi 1800, còn nếu mã số có trị số +1 thì phase sóng mang giữ nguyên không thay đổi.
Cả hai sóng mang đều mang thông báo vệ tinh (Satellite message) cần phát dưới dạng một dòng
dữ liệu được thiết kế ở tần số thấp (50Hz) để thông báo tới người sử dụng tình trạng và vị trí của vệ tinh.
Các dữ liệu này sẽ được các máy thu giải mã và dùng vào việc xác định vị trí của máy theo thời gian
thực.
I.1.3. Phần sử dụng (User Segment):
Phần sử dụng bao gồm các máy thu tín hiệu từ vệ tinh trên đất liền, máy bay và tàu thủy. Các
máy thu này phân làm 2 loại: máy thu 1 tần số và máy thu 2 tần số. Máy thu 1 tần số chỉ nhận được các
mã phát đi với sóng mang L1. Các máy thu 2 tần số nhận được cả 2 sóng mang L1 và L2. Các máy thu 1
tần số phát huy tác dụng trong đo tọa độ tuyệt đối với độ chính xác 10 m và tọa độ tương đối với độ chính
xác từ 1 đến 5 cm trong khoảng cách nhỏ hơn 50 km. Với khoảng cách lớn hơn 50 km độ chính xác sẽ
giảm đi đáng kể (độ chính xác cỡ dm). Để đo được trên những khoảng cách dài đến vài nghìn km chúng
ta phải sử dụng máy 2 tần số để khử đi ảnh hưởng của tầng ion trong khí quyển trái đất. Toàn bộ phần
cứng GPS hoạt động trong hệ thống tọa độ WGS-84 với kích thước elipsoid a=6378137.0 m và
=1:29825722.
I.1.3.1 Các bộ phận của một thiết bị GPS trong phần sử dụng.
Phần sử dụng GPS có thể được coi gồm 3 bộ phận chính:
* Phần cứng
* Phần mềm
* Phần triển khai công nghệ
Phần cứng bao gồm máy thu mạch điện tử , các bộ dao động tần số vô tuyến RF (Radio
Friquency), các ăngten và các thiết bị ngoại vi cần thiết để hoạt động máy thu. Đặc điểm chính yếu của
bộ phận này là tính chắc chắn, có thể xách tay, tin cậy khi làm việc ngoài trời và dễ thao tác.
Phần mền bao gồm những chương trình tính dùng để xử lý dữ liệu cụ thể, chuyển đổi những
thông báo GPS thành những thông tin định vị hoặc dẫn đường đi hữu ích. Những chương trình này cho
phép người sử dụng tác động khi cần để có thể lợi dụng được những ưu điểm của nhiều đặc tính định vị
GPS. Những chương trình này có thể sử dụng được trong điều kiện ngoại nghiệp và được thiết kế sao cho
có thể cung cấp những thông báo hữu ích về trạng thái và sự tiến bộ của hệ thống tới người điều hành.
Ngoài ra trong phần mềm còn bao gồm những chương trình phát triển tính độc lập của máy thu GPS , có
thể đánh giá được các nhân tố như tính sẵn sàng của vệ tinh và mức độ tin cậy của độ chính xác.
Phần triển khai công nghệ hướng tới mọi lĩnh vực liên quan đến GPS như: cải tiến thiết kế máy
thu, phân tích và mô hình hoá hiệu ứng của ăngten khác nhau, hiệu ứng truyền sóng và sự phối hợp của
chúng trong phần mềm xử lý số liệu, phát triển các hệ thống liên kết truyền thông một cách tin cậy cho
các hoạt động định vị GPS cự ly dài và ngắn khác nhau và theo dõi các xu thế phát triển trong lĩnh vực
giá cả và hiệu suất thiết bị.
I.1.3.2 Những bộ phận chính của máy thu GPS.
Các bộ phận cơ bản của một máy thu GPS bao gồm:
* Ăngten và bộ tiền khuếch đại
* Phần tần số vô tuyến (RF)
* Bộ vi xử lí
* Đầu thu hoặc bộ điều khiển và thể hiện
-5-
* Thiết bị ghi chép
* Nguồn năng lượng
Ăngten và bộ tiền khuếch đại : Các Ăngten dùng cho máy thu GPS thuộc loại chùm sóng rộng ,
vì vậy không cần phải hướng tới nguồn tín hiệu giống như các đĩa ăngten vệ tinh . Các ăngten này tương
đối chắc chắn và có thể đặt trên ba chân hoặc lắp trên các phương tiện giao thông, vi trí thực sự được xác
định là trung tâm Phase của ăngten, sau đó được truyền lên mốc trắc địa.
Phần tần số vô tuyến : Bao gồm các vi mạch điện tử xử lí tín hiệu và kết hợp số hóa và giải tích.
Mỗi kiểu máy thu khác nhau dùng những kỹ thuật xử lí tín hiệu khác nhau đôi chút, các phương pháp này
là :
* Tương quan mã
* Phase và tần số mã
* Cầu phương tín hiệu sóng mang
Phần tần số vô tuyến bao gồm các kênh sử dụng một trong ba phương pháp nói trên để truy cập
các tín hiệu GPS nhận được, số lượng các kênh biến đổi trong khoảng từ 1 đến 12 tuỳ theo nhũng máy
thu khác nhau.
Bộ điều khiển: Cho phép người điều hành can thiệp vào bộ vi xử lí. Kíck thước và kiểu dáng của
bộ điều khiển ở các loại máy thu khác nhau cũng khác nhau.
Thiết bị ghi : Người ta dùng máy ghi băng từ hoặc các đĩa mềm để ghi các trị số quan trắc và
những thông tin hữu ích khác được tách ra từ những tin hiệu thu được
Nguồn năng lượng : Phần lớn các máy thu đều dùng nguồn điện một chiều điện áp thấp, chỉ có
một vài máy đòi hỏi phải có nguồn điện xoay chiều.
I.2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG GPS:
Như chúng ta đã biết về nguyên lý hoạt động của hệ thống DOPPLER, đó là nguyên lý của sự
thay đổi tần số tín hiệu khi nơi phát tín hiệu chuyển động. Hệ thống GPS hoạt động trên một nguyên lý
hoàn toàn khác. Để xác định tọa độ tuyệt đối của một điểm mặt đất chúng ta sử dụng kỹ thuật "tựa
khoảng cách". Kỹ thuật này được mô tả bằng công thức:
(1)
ở đây: s=[xs ys zs] - Tọa độ vệ tinh;
p=[xp yp zp] - Tọa độ điểm mặt đất;
c - Tọa độ sóng;
t - Thời gian sóng đi từ vệ tinh tới máy thu.
t - Số hiệu chỉnh thời gian.
Tập hợp các phương trình đo dạng (1) ta có hệ thống phương trình sai số có 4 ẩn số là t, x p yp zp
trong đó xs ys zs biết được từ mã lịch vệ tinh (tần số 50Hz), t được xác định theo đồng hồ vệ tinh và máy
thu theo mã C/A, c là hằng số tốc độ truyền sóng điện từ. Theo kỹ thuật này chúng ta có thể xác định tọa
độ với độ chính xác 10 m. Nếu kết quả trên được gửi tới trạm điều khiển trung tâm, chúng ta có được tọa
độ tuyệt đối mặt đất với độ chính xác 1 m. Sở dĩ độ chính xác được tăng lên đáng kể vì máy thu chỉ thu
được lịch vệ tinh dự báo, còn ở trạm điều khiển trung tâm có lịch vệ tinh chính xác. Qua đây chúng ta
thấy tọa độ tuyệt đối các điểm mặt đất được xác định có độ chính xác kém phương pháp DOPPLER. Sở
dĩ như vậy vì vệ tinh của hệ thống GPS có độ cao gấp đôi hệ thống DOPPLER. Tọa độ tuyệt đối với độ
chính xác 10 m của hệ thống GPS chỉ dùng để đáp ứng 2 mục đích:
- Đạo hàng ( định vị cho các đối tượng chuyển động như tàu biển, máy bay....)
- Cung cấp tọa độ gần đúng cho phương pháp đo tọa độ tương đối GPS.
Ngược lại với độ chính xác của tọa độ tuyệt đối, công nghệ GPS đã đạt được thành tựu đáng kể
trong việc xác định tọa độ tương đối. Nguyên lý đo tọa độ tương đối là xác định pha của sóng mang L1
(với máy thu 1 tần số) hay L1 và L2 (với máy thu 2 tần số).
Chúng ta có công thức:
S = N +  (2)
Trong đó:  - Bước sóng ( = c/f)
f: Tần số sóng;
N: Số nguyên lần bước sóng;
: Pha của sóng;
-6-
S: Khoảng cách vệ tinh - máy thu.
Từ công thức (2) chúng ta có:
 = (f/c).S - N (3)
Xét công thức (3) từ một phía khác chúng ta có thể viết:
(t) = s(ts ) - p(t) + Nsp (4)
 (t ) - Pha của sóng tại thời điểm ts khi vệ tinh bắt đầu phát tín hiệu;
s s
p(t) - Pha của sóng tại thời điểm t khi máy thu nhận được tín hiệu;
Nsp - Số nguyên lần bước sóng.
Từ các công thức trên ta suy ra:
(t) = s(t) - (f/c).Ssp - p(t) + Nsp (5)
Kết hợp các thành phần của vế phải của công thức (5) chúng ta biểu diễn dưới dạng:
(t) = - (f/c).Ssp - p(t) + s(t) + sp (6)
Trong đó:
p(t) - Thành phần ảnh hưởng hệ thống pha (t) do máy thu gây ra (chủ yếu là số hiệu chỉnh đồng
hồ máy thu)
s(t) - Thành phần ảnh hưởng hệ thống pha (t) do vệ tinh gây ra (chủ yếu là số hiệu chỉnh đồng
hồ vệ tinh)
sp(t) - Thành phần ảnh hưởng hệ thống pha (t) do cả vệ tinh và máy thu gây ra không phụ thuộc
thời gian (chủ yếu là s(to) - p(to) + Nsp , trong đó to là thời điểm bắt đầu đo)
Công thức (6) chính là công thức cơ bản để lập phương trình đo trong kỹ thuật đo tọa độ tương
đối GPS. Điều quan trọng nhất là chúng ta phải tổ hợp các trị đo sao cho khử được các thành phần hệ
thống p(t), s(t) và p.
I.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ BẰNG HỆ THỐNG GPS
I.3.1 Phép định vị tĩnh và định vị động.
Hệ GPS có thể được dùng để định vị các vật thể tĩnh tại hoặc các vật thể chuyển động. Mặc dù
trị quan trắc là như nhau, nhưng trên thực tế do ăngten tĩnh hoặc động khác nhau nên dãn đến những
khác nhau rất lớn.
Nếu ăngten cố định chúng ta có thể quan trắc nhiều cự li đến vệ tinh khác nhau, việc làm này
cho phép ta có những trị đo dư thừa, giải nghiệm từ nhiều trị đo và nhận được độ chính xác cao của vị trí
được xác định. Khi ăngten chuyển động chúng ta chỉ có thể nhận được những chỉ định (Fix) tức thời,
(thông thường từ 4 cự ly được quan trắc đồng thời hoặc gần như đồng thời) không có số đo dư thừa.
Trong trường hơp định vị tĩnh, chúng ta có thể nhận được hoặc là một kết quả theo thời gian
thực, trong đó môĩ trị quan trắc mới đều được sử lý sao cho có thể cải thiện được trị toạ độ vị trí đã được
xác định trước đó, hoặc là các trị quan trắc có thể được xử lý sau khi kết thúc công tác ngoài trời.Chúng
ta gọi là nghiệm xử lý sau (postprocessed solution).
Trong phép định vị động, thường người ta cũng tìm kiếm nghiệm theo thời gian thực, nhưng
nghiệm này chỉ bao gồm một vị trí ( Fix ) tại một thời điểm. Một chuỗi các kết quả tại những chỉ định này
( lộ trình rời rạc của phương tiện lưu thông ) có thể được xử lý bằng cách sử dụng một trong số những thủ
thuật tiếp cận bằng đường cong trơn.
I.3.2 Phép định vị tương đối.
Khi đòi hỏi trị đo có độ chính xác cao, cần phải sử dụng phép định vị tương đối. Trong kiểu đo
này, hai ăngten cùng hai máy thu tương ứng được đặt tại hai đầu của cạnh cần quan trắc và phải làm việc
đồng thời. Sở dĩ có thể đạt được độ chính xác cao trong kiểu đo này là vì một số sai số tích luỹ trong các
cự ly quan trắc thường đồng nhất với nhau hoặc tối thiểu cũng tương tự nhau tại hai đầu của đường đáy.
Các sai số này có thể được loại trừ hoặc ít nhất cũng giảm một cách đáng kể khi xác định trị số định vị
tương đối.
Một kiểu định vị tương đối đặc biệt hấp dẫn, lần đầu tiên được Ben Remondi thuộc Cục Đo đạc
trắc địa Mỹ đề xuất, là kiểu định vị tương đối dạng bán động (relative semi kinematic positioning). Ý
tưởng của kiểu đo này là sử dụng một máy tĩnh vàmột máy di động lang thang xung quanh. Nếu không
xuất hiện trị số trượt chu kỳ trong các máy thu thì có thể liên tục đảm bảo độ chính xác tốt hơn 1 chu kỳ
(20 cm) của tín hiệu phase phách sóng mang trong các trị số định vị tương đối giữa máy thu tĩnh và máy
thu lang thang. Kiến nghị này có hai ngụ ý:
-7-
* Các ứng dụng định vị động có thể lợi dụng độ chính xác cao hơn nhiều của số đo sóng mang,
thay vì bị hạn chế trong độ chính xác của số đo mã.
* Mở ra một phạm vi rộng hơn trong ứng dụng phép định vị GPS: lập tam giác ảnh hàng không
không dùng đến những điểm khống chế mặt đất.
I.3.3 Phép định vị nhiều máy thu.
Độ chính xác của các kết quả đo sẽ được cải thiện một cách đáng kể khi một số máy thu được
triển khai dưới dạng một mạng lưới định vị. Nói chung, một mạng lưới luôn có cấu hình mạnh hơn về
mặt hình học so với một cạnh đo vì có số đo dư thừa - các cạnh đo trong lưới cần phải thoả mãn những
điều kiện được xác định bằng phương pháp hình học. Các trị đo dư thừa được dùng để kiểm soát ảnh
hưởng của những sai số khác nhau, bao gồm sai số ngẫu nhiên và sai số hệ thống trong các trị quan trắc.
Chúng ta để ý thấy rằng ngay cả khi chỉ có 2 máy thu cũng nên liên kết các cạnh đáy thiết kế thành các
mạng lưới, có như thế mới cải thiện được độ chính xác của các trị số định vị.
Khi triển khai nhiều máy thu, người ta phải đối đầu với những qui luật khác thường, liên quan
đến phần lưới mà trên đó các máy thu đang hoạt động và liên quan đến các giai đoạn quan trắc trên từng
trạm riêng biệt. Trong hoàn cảnh như vậy, người ta cần phải đặc biệt chú ý thực hiện tối ưu hoá lịch đo
để đạt độ chính xác tốt nhất bằng những công cụ rẻ tiền nhất.
I.3.4 Phép định vị động tương đối
Nếu cần phải xác định vị trí chuyển động với độ chính xác cao thi các phép định vị điểm mô tả
trước đây có thể không đủ sử dụng. Khi đó, cần phải dùng tới khái niệm định vị phân sai (differential)
tương đối. ý tưởng chính của phép đo này là dùng một ăngten tĩnh tại làm điểm tham chiếu. Sau đó, máy
thu các ăngten tĩnh tại truy cập những vệ tinh giống như những vệ tinh đang được máy thu có ăngten
chuyển động truy cập (tốt nhất là truy cập tất cả các vệ tinh nhìn thấy được). Độ chính xác được coi là
phụ thuộc vào vị trí của máy tĩnh tại và sự hoạt động của đồng hồ. Sở dĩ có sự khác nhau (tức sai số khép
độ dài) giữa những cự li đo tới các vệ tinh và những cự li tính được từ vị trí "biết trước" của máy thu tĩnh
tại và đồng hồ và sở dĩ có sự biến đổi trông thấy trong vị trí của máy thu tĩnh tại là do có những biến
động tức thời trong thông tin quỹ đạo trong giá trị thời gian trễ do khí quyển và trong hoạt động của đồng
hồ.
Người ta truyền khoảng lệch vị trí (Position offset) hoặc sai số khép độ dài tới máy thu chuyển
động thông qua việc nối thông tin liên lac trong thời gian thực . Kết quả của các nghiên cứu cho tháy
rằng người ta nhận được những kết quả tốt hơn và việc bổ sung số liệu chỉnh cũng dễ dàng hơn khi dùng
sai số khép độ dài thay cho khoảng lệch vị trí. Số hiệu chỉnh thời gian thực này đã nâng cao độ chính xác
và độ tin cậy của phép định vị động.
Máy thu tĩnh tại có thể được coi là một vệ tinh giả đặt trên bờ để truyền tín hiệu và thông báo đã
được mã hoá bằng cùng một cách giống như những gì đã được truyền qua vệ tinh.
I.3.5 Cấu hình hình học GPS và độ chính xác.
Độ chính xác định vị điểm bằng GPS phụ thuộc vào hai yếu tố: cấu hình hình học vị trí vệ tinh
và độ chính xác đo đạc. Thành phần thông thường của độ chính xác đo đạc GPS là sai số đo dài tương
đương của người sử dụng (UERE - User Equivalent Range Error) thể hiện ảnh hưởng tổng hợp của tính
thiếu tin cậy của lịch thiên văn, sai số truyền sóng, sai số đồng hồ đo thời gian và nhiễu trong máy thu.
Ảnh hưởng của cấu hình hình học vệ tinh được thể hiện bằng các suy giảm chính xác DOP
(Dilution of Precision) và được tính bằng tỉ số giữa độ chính xác định vị và độ chính xác đo, hoặc:  =
DOP. o
Trong đó o là độ chính xác của trị số đo (độ tán xạ tiêu chuẩn)
 là độ chính xác định vị (độ tán xạ tiêu chuẩn trong một trị số tọa độ)
DOP là một trị số vô hướng thể hiện tác động của cấu hình hình học đối với độ chính xác của vị
trí điểm. Có nhiều trị số DOP khác nhau, tùy thuộc chúng ta quan tâm độ chính xác của một trị số tọa độ
riêng biệt hay là tổng hợp của những tọa độ. Các trị số DOP thường dùng nhất là:
VDOP. o là độ chính xác tiêu chuẩn trong cao độ.
HDOP. o là độ chính xác vị trí mặt phẳng 2D.
PDOP. o là độ chính xác vị trí không gian 3D.
TDOP. o là độ chính xác tiêu chuẩn trong thời gian.
THDOP. o là độ chính xác mặt phẳng và thời gian.
GDOP. o là độ chính xác vị trí không gian 3D và thời gian.
-8-
Khoảng tin cậy đối với vị trí điểm xác định trên mặt phẳng chính là căn bậc hai tổng bình
phương hai trục của elip sai số. Đó chính là HDOP. Nói chung, mỗi DOP đều tương đương với một căn
bậc hai của tổng các bình phương của khoảng tin cậy trên các trục tương ứng với những tham số chúng ta
quan tâm.
I.3.6 Độ suy giảm chính xác.
Độ suy giảm chính xác DOP là số đo cường độ hình học của cấu hình phân bố vệ tinh GPS. Bởi
vì cấu hình vệ tinh phụ thuộc vào vị trí, cho nên cường độ cấu hình thay đổi theo thời gian khi các vệ tinh
chuyển động trên quỹ đạo của chúng từ vị trí này đến vị trí kia.
Chúng ta mong muốn trị DOP càng nhỏ càng tốt. Giả thiết độ chính xác trị số đo là 10 m, trị
DOP là 5 thì chúng ta có độ chính xác định vị là 50 m. Nếu trị DOP gần bằng đơn vị thì độ chính xác
định vị của chúng ta gần bằng độ chính xác trị số đo 10 m (một tình huống may mắn nhất).
I.4. CÁC NGUỒN SAI SỐ TRONG KẾT QUẢ ĐO GPS
I.4.1 Sai số do đồng hồ.
Đây là sai số của đồng hồ trên vệ tinh, đồng hồ trên máy thu và sự không đồng bộ của chúng.
Đồng hồ trên vệ tinh được trạm điều khiển trên mặt đất theo dõi và do đó nếu phát hiện có sai
lệch trạm này sẽ phát tín hiệu chỉ thị thông báo số cải chính cho máy thu GPS biết để sử lý. Để làm giảm
ảnh hưởng sai số đồng hồ cả của vệ tinh và máy thu, người ta sử dụng hiệu các trị đo giữa các vệ tinh
cũng như giữa các trạm quan sát.
I.4.2 Sai số do quĩ đạo vệ tinh
Chuyển động của vệ tinh trên quĩ đạo không tuân thủ nghiêm ngặt định luật Kepler do có nhiều
tác động nhiễu như: Tính không đồng nhất của trọng trường trái đất, ảnh hưởng của sức hút của mặt
trăng, mặt trời và của các thiên thể khác, sức cản của khí quyển, áp lực của bức xạ mặt trời,... Vị trí tức
thời của vệ tinh chỉ có thể xác định theo mô hình chuyển động được xây dựng trên cơ sở các số liệu
quan sát từ các trạm có độ chính xác cao trên mặt đất thuộc phần điều khiển của hệ thống GPS và đương
nhiên có chứa sai số. Có hai loại ephemerit được xác định từ kết quả hậu sử lý số liệu quan sát cho chính
các thời điểm nằm trong khoảng thời gian quan sát và ephemerit được ngoại suy từ các ephemerit nêu
trên cho máy ngày tiếp theo, loại ephemerit thứ nhất có độ chính xác ở mức 10 - 50 m, và chỉ được cung
cấp khi được Chính phủ Mỹ cho phép, còn loại thứ 2 ở mức 20 -100 m và cho phép khách hàng sử dụng.
Sai số vị trí của vệ tinh ảnh hưởng gần như trọn vẹn tới sai số xác định toạ độ của điểm quan trắc đơn
riêng biệt, nhưng lại được loại trừ đáng kể trong kết quả định vị tương đối giữa hai điểm.
I.4.3 Sai số do tầng điện ly và tầng đối lưu
Được phát đi từ vệ tinh ở độ cao 20 200 km xuống tới máy thu trên mặt đất, các tín hiệu vô tuyến
phải xuyên qua tầng điện ly và tầng đối lưu. Tốc độ lan truyền tín hiệu tăng tỉ lệ thuận với mật độ điện tử
tự do trong tầng điện ly và tỉ lệ nghịch với bình phương tần số của tín hiệu. Ảnh hưởng của tầng điện ly
sẽ được loại trừ đáng kể bằng cách sử dụng hai tần số tải khác nhau. Chính vì thế, để đảm bảo định vị với
độ chính xác cao người ta sử dụng các máy thu GPS 2 tần số. Xong khi 2 điểm quan sát ở gần nhau thì
ảnh hưởng nhiễu xạ do 2 tần số kết hợp sẽ lớn hơn so với 1 tần số và do vậy nên sử dụng máy thu 1 tần số
cho trường hợp định vị ở khoảng cách ngắn. Ảnh hưởng của tầng điện ly vào ban đêm sẽ nhỏ hơn tới 5-6
lần so với ban ngày.
Ảnh hưởng của tầng đối lưu có thể được mô hình hóa theo các yếu tố khí tượng là nhiệt độ, áp
suất và độ ẩm. Nó có thể được xem là gần như nhau đối với hai điểm quan sát ở cách nhau không quá vài
chục km và vì thế sẽ được loại trừ đáng kể trong hiệu trị đo giữa hai điểm quan sát.
Để làm giảm ảnh hưởng của tầng điện ly và tầng đối lưu người ta quy định chỉ quan sát vệ tinh ở
độ cao từ 15o trở lên so với mặt phẳng chân trời.
I.4.4 Sai số do nhiễu tín hiệu:
Ăng ten của máy thu không chỉ thu tín hiệu đi thẳng từ vệ tinh tới mà còn nhận cả các tín hiệu
phản xạ từ mặt đất và môi trường xung quanh. Sai số do hiện tượng này gây ra được gọi là sai số do
nhiễu xạ của tín hiệu vệ tinh. Để làm giảm sai số này, các nhà chế tạo máy thu không ngừng hoàn thiện
cấu tạo của cả máy thu và ăng ten.
Tổng hợp ảnh hưởng của các nguồn sai số chủ yếu nêu trên cùng với nguồn sai số phụ khác,
khoảng cách từ vệ tinh đến các điểm quan sát phụ khác sẽ có sai số 13 m với xác suất 95%. Nếu xét đến
ảnh hưởng của chế độ C\A thì sai số này sẽ là 50 m. Song các giá trị này mới chỉ là sai số của khoảng
cách từ mỗi vệ tinh đến điểm quan sát, chứ không phải là sai số của bản thân vị trí điểm quan sát. Do vị
trí điểm quan sát được xác định bởi phép giao hội khoảng cách từ các vệ tinh nên độ chính xác của nó
phụ thuộc vào các góc giao hội, tức là phụ thuộc vào đồ hình phân bố vệ tinh so với điểm quan sát. để có
-9-
được sai số vị trí điểm quan sát ta phải đem sai số khoảng cách giao hội nhân với một hệ số lớn hơn 1. Hệ
số này đặc trưng cho đồ hình giao hội và được gọi là hệ số phân tán độ chính xác (Dilution of Precision -
DOP). Rõ ràng DOP càng nhỏ thì vị trí điểm quan sát được xác định càng chính xác.
Hệ số DOP tổng hợp nhất là hệ số phân tán độ chính xác hình học - GDOP, vì nó đặc trưng cho
cả ba thành phần tọa độ không gian X, Y, Z và yếu tố thời gian t. Hệ số GDOP từ 2 - 4 được coi là tốt.
I.5 CÁC ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS
1.5.1 Các ứng dụng trong trắc địa và bản đồ mặt đất
Độ chính xác cao của các trị số đo Phase sóng mang GPS cùng với những thuật toán bình sai xấp
xỉ dần cung cấp một công cụ thích hợp cho nhiều nhiệm vụ khác nhau trong công tác trắc địa và bản đồ.
Chúng ta có thể chia các ứng dụng này làm 4 loại:
- Đo đạc địa chính
- Lập lưới khống chế trắc địa.
- Theo dõi độ biến dạng cục bộ.
- Theo dõi độ biến dạng toàn bộ.
Đo đạc địa chính đòi hỏi độ chính xác vị trí tương đối khoảng 10 -4. Người ta có thể đạt được độ
chính xác này một cách dễ dàng bằng cách quan trắc GPS.
Lưới khống chế trắc địa là những lưới trắc địa có độ chính xác cao. Độ chính xác yêu cầu về vị
trí tương đối khoảng 5.10-6 đến 1.10-6 ứng với các cự ly 20 - 100 km. Độ chính xác này có thể đạt được
bằng cách xử lý sau các trị đo phase sóng mang GPS bằng những phần mềm tiêu chuẩn. Các cấp hạng
khống chế thấp hơn (ví dụ lưới đo vẽ bản đồ) có thể cũng được thành lập bằng phương pháp GPS.
Việc theo dõi độ biến dạng cục bộ (lún do khai thác mỏ, biến dạng công trình) đòi hỏi độ chính
xác 1 mm đến 1 cm trên cự ly tới một vài km. Đối với những ứng dụng này, độ chính xác có thể đạt được
nói trên bị hạn chế bởi sự thiếu chắc chắn trong sự biến đổi của các tấm vi mạch trong ăng ten GPS và sự
sai lệch về tín hiệu do môi trường phản xạ nơi đặt ăng ten. Hơn thế nữa, khó khăn bị tăng lên do khả năng
nhìn thấy vệ tinh bị giới hạn vì hiện tượng bóng tối của tín hiệu trong môi trường công nghiệp tiêu biểu.
Việc theo dõi độ biến dạng toàn bộ (hoạt động kiến tạo của địa tầng) đòi hỏi độ chính xác
khoảng 10-7 - 10-8 trên cự ly liên lục địa. Sự khác nhau cơ bản giữa việc theo dõi biến dạng toàn bộ so với
những ứng dụng đã nói trên là ở chỗ trong trường hợp này cần phải có một mô hình phức tạp về các quỹ
đạo vệ tinh GPS, các trị thời trễ khi truyền tín hiệu qua tầng khí quyển và các độ lệch khác.
I.5.2 Các ứng dụng trong giao thông và thông tin trên mặt đất
Việc phổ biến rộng rãi phép định vị hàng hải bằng GPS trong giao thông dân dụng hầu như tăng
dần dần thay thế các phương pháp truyền thống. Trong việc xác định các hành trình trên mặt đất, một
màn hình tự động thể hiện vị trí của phương tiện (được xác định bằng GPS) trên một sơ đồ điện tử có thể
sẽ thay thế sự so sánh có tính thủ công các vật thể xung quanh phương tiện với bản đồ truyền thống. Ứng
dụng này thuộc loại cực kỳ quan trọng đối với các phương tiện thi hành luật pháp, công tác tìm kiếm
hoặc cứu hộ....
Việc theo dõi vị trí và sự chuyển động của các phương tiện có thể đạt được nếu các phương tiện
này được trang bị những máy phát chuyển tiếp tự động để hỗ trợ máy thu GPS. Vị trí được xác định bằng
các thiết bị thu và xử lý GPS có thể được truyền đến một địa điểm trung tâm được thể hiện trên màn hình.
I.5.3 Các ứng dụng trong trắc địa và bản đồ trên biển:
Nhờ độ chính xác cao và thời gian cần thiết để đo một vị trí chỉ định (Fix) ngắn, hệ GPS đặc biệt
phù hợp với công việc định vị ven bờ và ngoài khơi. Đối với công tác trắc địa biển, yêu cầu độ chính xác
về vị trí mặt phẳng thường thay đổi trong khoảng từ một vài đềcimét đến một vài chục mét. Để đáp ứng
các yêu cầu này cần phải sử dụng những kỹ thuật quan sát và xử lý số liệu khác nhau bằng cách sử dụng
các phép đo giả cự ly hoặc phép đo phase sóng mang. Các ứng dụng trên biển bao gồm đo vẽ bản đồ, các
chướng ngại dẫn đường tàu thuyền (đo vẽ bãi cạn, đo vẽ phao nổi) và đo vẽ các cầu tàu và bến cảng. Các
yêu cầu định vị trong thám hiểm địa lý đáy biển (ví dụ đo địa chấn) cũng như các yêu cầu về định vị hố
khoan đều có thể được đáp ứng bằng GPS.
Trong trắc địa biển (địa hình đáy biển, trường trọng lực của trái đất...) đều có thể dùng GPS làm
công cụ định vị.
I.5.4 Các ứng dụng trong giao thông và hải dương học trên biển
Hệ thống địnhvị GPS đã trở thành một công cụ dẫn đường hàng hải trên biển lý tưởng. Yêu cầu
độ chính xác dẫn hướng đi trên biển thay đổi trong khoảng từ một vài mét (trên bãi biển, bến tàu và dẫn
hướng trên sông) đến một vài trăm mét (dẫn hướng trên đường đi). Thủ tục định vị GPS chính xác sử
- 10 -
dụng cả phép đo giả ngẫu nhiên và phép đo phase sóng mang có thể đưa đến việc dẫn hướng đi của tàu
thuyền trên sông và ven biển không cần đến phao nổi, công tác tìm kiếm và cứu hộ ngoài khơi xa cũng sẽ
có hiệu quả hơn nhờ được nâng cao độ chính xác việc dẫn hướng đường đi.
Các nhu cầu định vị đối với công tác dã ngoại trong vật lý đại dương cũng có thể được đáp ứng
nhờ hệ GPS. Phép đo phase của sóng mang bổ túc cho ta tốc độ tàu thuyền chính xác, là số liệu cần thiết
trong nghiên cứu các dòng chảy của đại dương.
I.5.5 Các ứng dụng trong trắc địa và bản đồ hàng không
Trong ứng dụng đo đạc và đo vẽ bản đồ từ ảnh máy bay, hệ định vị GPS cung cấp kỹ thuật dẫn
đường bay, xác định tâm chính ảnh.
Trong đo vẽ ảnh hàng không, yêu cầu độ chính xác dẫn đường bay khoảng một vài chục mét - có
thể thực hiện được một cách dễ dàng nhờ hệ GPS. Phép xử lý sau với độ chính xác cao bằng GPS có thể
thay thế kỹ thuật tam giác ảnh không gian và do đó có thể đóng vai trò của các điểm khống chế mặt đất
một cách tuyệt hảo. Yêu cầu về độ chính xác của phép định vị trong lĩnh vực ứng dụng này thay đổi trong
khoảng từ 0.5 m đến 26 m tuỳ theo từng loại tỉ lệ bản đồ khác nhau.
Phép lập mặt cắt địa hình bằng laze hàng không có thể được dùng để đo vẽ trực tiếp bản đồ số
của địa hình (mô hình số mặt đất) nếu vị trí của bộ cảm biến (laze) được biết với độ chính xác khoảng 0.5
- 1 m về độ cao và một vài mét về mặt phẳng. Người ta trông đợi hệ GPS sẽ cho độ chính xác định vị tốt
hơn trong phép xử lý sau khi đo.
Phép đo trọng lực hàng không cũng đòi hỏi một kiểu định vị tương tự như vậy. Trong lĩnh vực
ứng dụng này, các số đo GPS cho phép xác định thêm tốc độ của bộ cảm biến cần thiết cho phép quy
EOTVOS dữ liệu trọng lực.
Phép đo sâu laze hàng không và phép xạ ảnh rada đòi hỏi độ chính xác định vị bộ cảm biến
không cao có thể thực hiện một cách dễ dàng bằng các số đo GPS.
I.5.6 Ứng dụng trong giao thông hàng không
Trong lĩnh vực hàng không dân dụng, hầu hết các hãng hàng không quốc tế đã sử dụng hệ GPS
làm hệ thống dẫn đường bay. ICAO - Tổ chức hàng không dân dụng quốc tế đã quy định sử dụng hệ
thống GPS trong dẫn đường và cất, hạ cánh. Ở Việt nam từ 1998 hãng hàng không quốc gia sẽ chính thức
sử dụng GPS.
Trong các ứng dụng hàng không khác (lâm nghiệp và gieo trồng ngũ cốc...), những lĩnh vực
không đòi hỏi tính an toàn của hàng không mà chỉ cần triển khai việc vận chuyển hàng hóa, kỹ thuật GPS
có thể đảm bảo dễ dàng những yêu cầu chính xác về dẫn đường bay.
I.5.7 Các ứng dụng trong thám hiểm không gian
Ứng dụng chủ yếu của hệ GPS trong thám hiểm không gian bao gồm việc định vị và định hướng
bay của các phương tiện không gian khác có mang theo những máy thu phát địa lý hoặc trắc địa. Thông
thường các vệ tinh này có quỹ đạo thấp, vì vậy nguyên lý hình học của các phép đo cũng tươgn tự như đã
ứng dụng cho mặt đất. Những ví dụ điển hình trong lĩnh vực ứng dụng này là phép đo viễn thám bằng vệ
tinh và phép đo độ cao bằng rada. Các vị trí tọa độ của vệ tinh nhận được từ các số đo GPS có thể được
dùng để cải tiến hoặc đơn giản hóa những tính toán quỹ đạo của các phương tiện không gian này, thậm
chí thay thế phép định vị liên tục bằng phép định vị rời rạc trong định vị quỹ đạo bay.
I.5.8 Các ứng dụng trong việc nghỉ ngơi giải trí.
Người ta trông đợi giá cả của các máy thu GPS sẽ liên tục giảm. Hiện nay ở mức giá một vài
trăm dola những người sử dụng không chuyên cũng đã có thể mua được máy thu GPS đơn giản, có kích
thước, trọng lượng rất nhỏ (như đồng hồ đeo tay). Trong trường hợp này, các hoạt động nghỉ ngơi và điều
dưỡng sẽ cung cấp một thị trường rộng lớn cho những máy thu đeo tay, xách tay, giá rẻ dễ sử dụng.
I.5.9 Các ứng dụng trong quân đội
Hệ thống định vị toàn cầu được thiết kế chủ yếu để cho quân đội định vị điểm theo thời gian
thực. Các ứng dụng cho quân đội bao gồm dẫn hướng hàng không, hàng hải và trên bộ. Hệ định vị GPS
được coi là hệ độc lập và là một bộ phận của những hệ thống dẫn đường tích hợp. Ngoài ra, các vệ tinh
GPS còn mang theo các bộ thu phát để khám phá và hiển thị các vụ nổ hạt nhân.
I.6 SỰ PHÁT TRIỂN CỦA CÔNG NGHỆ GPS ĐO TĨNH TRONG GIAI
ĐOẠN 1990 ĐẾN NAY
Từ năm 1990 cho tới nay công nghệ GPS đã được cải tiến khá nhiều để đạt được các thành tựu
mới về độ chính xác và về mở rộng phạm vi kỹ thuật. Nói chung các thay đổi chủ yếu về kỹ thuật GPS là:
 Số lượng vệ tinh đã nâng từ 18 lên 32 tạo nên số lượng trị đo nhiều hơn trên mỗi điểm đo;
- 11 -
 Chất lượng tín hiệu vệ tinh tốt hơn nhiều lần, không gây các gián đoạn trong thu tín hiệu như
trước đây;
 Máy thu được cải tiến về đồng hồ để nâng cao độ chính xác về thời gian;
 Antenna được cải tiến để có độ nhậy cao hơn và khắc phục các sai số nhiễu tín hiệu do môi
trường, đặc biệt là các nhiễu do tín hiệu phản xạ từ các vật đặt quanh antenna;
 Phần mềm xử lý các base line được cải tiến để nâng cao việc hạn chế sai số do quỹ đạo vệ
tinh, sai số của tầng bình lưu.
Các thành quả chủ yếu của công nghệ GPS được nâng cao từ năm 1990 cho đến nay như sau:
I.6.1 Nâng cao độ chính xác đo tĩnh thông qua các biện pháp hạn chế sai số đo:
Trong công nghệ GPS có một số nguồn sai số chủ yếu và các biện pháp khắc phục đã được áp
dụng như sau:
Sai số do quỹ đạo vệ tinh: Đây là nguồn sai số khá lớn nhưng tác động chủ yếu vào toạ độ tuyệt
đối xử lý theo phương pháp PseudoRange. Vì vậy, thông thường toạ độ tuyệt đối trong hệ WGS-84 quốc
tế chỉ có thể xác định được với độ chính xác khoảng từ 10 m tới100 m. Toạ độ này có vai trò rất quan
trọng trong việc tính toán gia số toạ độ X, Y, Z của các base line. Nếu độ chính xác toạ độ tuyệt đối
của một đầu base line tăng được từ 100m tới 2m thì độ chính xác của X, Y, Z có thể tăng thêm được
1 dm. Chính vì vậy người ta cần có toạ độ gần đúng trong hệ WGS-84 tới cỡ 2 m để có được các base
line có độ chính xác cao. Để khắc phục các sai số này người ta đã sử dụng các biện pháp sau:
Có được lịch vệ tinh chính xác tại thời điểm đo: Lịch vệ tinh chính xác có thể có được nếu yêu
cầu NASA hoặc IGS cung cấp, nhưng cách này không tiện dùng vì phải chờ đợi trong thời gian không
ngắn.
Quan trắc liên tục trong 24 giờ: tức là 2 vòng quỹ đạo của 32 vệ tính có thể hiệu chỉnh được lịch
vệ tinh thông qua các phần mềm xử lý PseudoRange mới, độ chính xác đạt được tới 1 m. Độ chính xác
này đã được thử nghiệm tại Việt nam và đã so sánh kết quả đo toạ độ tuyệt đối với kết quả lan truyền toạ
độ theo các base line từ 1 điểm gốc toạ độ tuyệt đối cũng như với toạ độ đo nối với lưới IGS quốc tế.
Sử dụng hệ thống DGPS toàn cầu do OMNI STAR cung cấp theo công nghệ RTCM với các số
hiệu chỉnh toạ độ được cung cấp từ hệ thống các trạm định vị cố định toàn cầu. Công nghệ này cũng đã
được thử nghiệm tại Việt nam và cho độ chính xác đạt tới 1 m như lý thuyết đã dự báo.
Sai số do môi trường truyền sóng: Môi trường chuyền sóng gây nên 3 loại sai số chủ yếu trong
quá trình sóng mang chuyển từ vệ tinh tới máy thu:
Sai số do tầng Ion gây ra: đây là sai số do hiện tượng khúc xạ tia sóng đi từ khoảng không vũ trụ
vào tầng đầu tiên của khí quyển. Sai số này không gây ảnh hưởng lớn tới kết quả đo trong khoảng cách
ngắn mà chỉ có ý nghĩa trên khoảng cách dài. Để khắc phục người ta đã sử dụng tần số thứ hai khi đo đạc
trên khoảng cách dài.
Sai số do tầng đối lưu gây ra: đây là hiện tượng khúc xạ tia sóng đi trong lớp khí quyển gần mặt
đất. Sai số này có tác động chủ yếu cho khoảng cách ngắn mà không đáng kể trên khoảng cách dài.
Trước đây người ta yêu cầu đo nhiệt độ, áp suất, độ ẩm để tính số hiệu chỉnh. Đến nay các phần mềm đã
sử dụng số hiệu chỉnh theo mô hình tầng đối lưu tạo độ chính xác cao hơn sử dụng các số hiệu chỉnh do
nhiệt độ, áp suất, độ ẩm.
Sai số nhiễu tín hiệu do môi trường: sai số này có 2 nguồn gây ra: một là do các nguồn phát sóng
ngắn quanh máy thu gây ra như các đài truyền hình và hai là do sóng GPS phản xạ từ các vật thể đặt
quanh antenna. Để khắc phục sai số này người ta đã cải tiến các antenna có độ nhậy cao hơn, có khả
năng chống nhiễu và đặt thêm các bộ lọc trong phần mềm (cả firmware và software).
Sai số do đồng hồ máy thu: Độ chính xác đồng hồ và đồng bộ thời gian giữa đồng hồ vệ tinh và
đồng hồ máy thu có ý nghĩa rất quan trọng trong việc nâng cao độ chính xác kết quả đo GPS. Tất nhiên
cải tiến đồng hồ máy thu là một việc có thể làm ngay được, ví dụ như lắp đặt các đồng hồ nguyên tử như
trên vệ tinh, nhưng như vậy không ai chấp nhận được giá thành máy thu. Người ta chỉ có thể cải tiến các
đồng hồ thạch anh trong máy thu để có khả năng ổn định hơn trong giai đoạn đã đồng bộ với đồng hồ vệ
tinh.
Đến nay các nguồn sai số nói trên đã được khắc phục đáng kể, tạo được các base line có độ
chính xác cao hơn nhiều so với giai đoạn 1990. Các trị đo GPS cạnh dài đã nâng được độ chính xác từ cỡ
1/20.000.000 vào giai đoạn 1990 đến 1/200.000.000 như hiện nay đạt được.
I.6.2 Nâng cao độ chính xác tính toán nhờ các thuật toán mới:
Phương pháp xử lý số liệu góp phần rất quan trọng trong việc loại trừ các sai số đo. Người ta tập
trung vào 2 giải pháp sau đây:
- 12 -
Trong xử lý số liệu GPS người ta quan tâm tới hiệu các trị đo có thể có được để loại trừ sai số,
trong đó có hiệu bậc nhất là hiệu trị đo giữa các thời điểm thu tín hiệu của 1 vệ tinh, hiệu bậc hai là hiệu
trị đo giữa các vệ tinh và hiệu bậc 3 là hiệu trị đo giữa các điểm mặt đất. Sử dụng hiệu bậc mấy để có một
lời giải base line chứa sai số đo ít nhất là một quá trình đạt nhiều tiến bộ theo thời gian. Hãng GPS hàng
đầu TRIMBLE đã đưa ra phần mềm TRIMVEC+ cho xử lý các base line trong giai đoạn 1990 - 1994,
đến 1995 họ đã thay thế bằng phần mềm Wave Processor có hiệu quả cao hơn nhiều.
Vấn đề lọc nhiễu là một kỹ thuật phức tạp trong xử lý số liệu vệ tinh, theo thời gian người ta đã
đưa ra các bộ lọc hoàn chỉnh hơn để sao cho trong trị đo chỉ còn nhiễu ngẫu nhiên. Trong phần mềm mới
GPSurvey của hãng TRIMBLE đã đưa được vào nhiều bộ lọc mới tạo hiệu quả đáng kể trong xử lý các
base line.
I.6.3 Nâng cao khả năng công nghệ của GPS:
Trong việc thành lập các lưới trắc địa chúng ta chỉ quan tâm tới phương pháp đo tĩnh. Như trên
giới thiệu, phương pháp này đã cho chúng ta một độ chính xác GPS hiện nay cao hơn tới 10 lần cho đo
tương đối và 100 lần cho đo tuyệt đối so với độ chính xác đạt được trong khoảng 5 năm trước đây. Ngoài
ra công nghệ GPS đã được phát triển cho nhiều loại hình đo đạc khác nữa để áp dụng cho nhiêù mục tiêu
khác nhau như:
 RTK cho đo động với thời gian thực giữa trạm tĩnh và trạm động đạt được độ chính xác tới
1 cm cho mục tiêu lập bản đồ tỷ lệ lớn;
 RTCM cho đo động với số hiệu chỉnh toạ độ được gửi từ trạm tĩnh tới trạm động đạt được
độ chính xác cỡ 1 m cho mục tiêu lập bản đồ tỷ lệ trung bình;
 MSK cho đo động tương tự như RTK cho khoảng cách dài (tới 5000 km) đạt độ chính xác
cỡ 1 m;
 Một số phương pháp Postprocessing Kinematic cho độ chính xác cỡ 1 dm .
- 13 -
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT KỸ THUẬT ĐO
VÀ XỬ LÝ TÍNH TOÁN BÌNH SAI KẾT QUẢ ĐO GPS
II.1 ĐỒ HÌNH VỆ TINH VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA MÔI TRƯỜNG.
Máy thu GPS nhận tín hiệu trực tiếp từ vệ tinh, vậy tại điểm đo cần có một khoảng trống với
khoảng thiên đỉnh phù hợp với việc xuất hiện 4 vệ tinh đồng thời thông hướng tới máy thu trong thời gian
đo. Nếu khoảng trống trên không có vật gì che khuất thì chất lượng tín hiệu hoàn toàn sạch. Tín hiệu có
thể bị đứt quãng hoặc nhiễu nếu trong khoảng trống bị tán cây bao phủ hoặc mây che khuất. Nếu mây
che khuất là loại mây không mang mưa thì tín hiệu nhận được vẫn đảm bảo chất lượng tốt. Các tán cây
bao phủ cần dọn dẹp để có một độ quang tối đa. Nếu các điểm đo không phải là những điểm cũ thì ta có
thể xê dịch điểm đến một vị trí quang đãng hơn.
Một nhược điểm nữa của việc bố trí điểm GPS trên mặt đất là không được bố trí gần các trung
tâm phát sóng mạnh, khoảng cách phải lớn hơn 500 m. Nếu cần thiết phải bố trí điểm tại đó chúng ta phải
đo vào lúc đài phát không làm việc.
Để đạt được độ chính xác cao khi đo GPS phải chọn thu tín hiệu các vệ tinh có đồ hình phân bố
đều trên bầu trời xung quanh điểm đặt máy thu.
Đồ hình vệ tinh tốt là đồ hình trình bày ở hình 1. Đồ hình ở hình 2 là đồ
hình xấu.
Hình 2
Hình 1
Môi trường rộng hơn xung quanh điểm đo phải nói tới toàn bộ bầu khí quyển. Như ta đã biết, bầu
khí quyển được chia thành 3 lớp: tầng đối lưu, tầng bình lưu và tầng ion. Tầng bình lưu không gây ảnh
hưởng tới việc truyền tín hiệu trong khí quyển. Tầng đối lưu và tầng ion có ảnh hưởng trực tiếp làm cong
tia tín hiệu trong khí quyển. Tầng ion gây nên độ cong tia tín hiệu do khúc xạ khi tia truyền từ trên không
vào bầu khí quyển. Nếu khoảng cách đo trên mặt đất không xa nhau thì các tia bị khúc xạ đều và không
gây ảnh hưởng tới gia số tọa độ các điểm mặt đất. Vì vậy để đo giữa các điểm mặt đất có khoảng cách
dài, chúng ta phải sử dụng máy thu 2 tần số. Việc thu song song 2 tần số L1 và L2 cho phép ta loại được
độ chiết quang không đồng nhất giữa các tia xa nhau.
Tầng đối lưu cũng gây cho ta trở ngại lớn trong việc đo đạc với độ chính xác cao. Quy luật của
tầng đối lưu được mô tả trong các mô hình khí quyển. Mô hình được sử dụng trong công nghệ GPS là mô
hình của Hopfield. Trong mô hình này, chúng ta phải tiến hành đo nhiệt độ, áp suất, độ ẩm tại các điểm
đặt máy thu. Sau khi tính các số hiệu chỉnh chúng ta đạt được độ chính xác cỡ 0.5cm. Để loại trừ cao
nhất ảnh hưởng của tầng đối lưu chúng ta có thể chọn thời gian đo thích hợp theo từng mùa. Tại các thời
điểm này Gradient các tham số của tầng đối lưu bằng 0. Vấn đề tác động của môi trường tới các trị đo vệ
tinh được thể hiện ở các loại nhiễu khác nhau trong trị đo. Các loại nhiễu này có 2 dạng:
1. Máy thu được trị đo bị gián đoạn
2. Máy thu nhận sai các tham số của trị đo.
Để loại nhiễu loại 1 chúng ta có thể dùng phương pháp nội suy để liên tục hóa dãy trị đo. Riêng
những nhiễu loại 2 chúng ta phải dùng các công cụ tính toán thống kê để loại bỏ. Hiện nay người ta vẫn
dùng công thức lọc của Kalmann. Điều này có nghĩa là nhiễu loại 2 phải được loại bỏ, nhưng loại bỏ như
thế nào cho hợp lý lại là toàn bộ vấn đề của phần mềm phục vụ chỉnh lý số liệu.
II.2 ĐỒ HÌNH LƯỚI TRẮC ĐỊA ĐO BẰNG CÔNG NGHỆ GPS.
Khi xây dựng lưới trắc địa, công nghệ GPS được ứng dụng như một phương pháp đo có ưu thế
hơn hẳn các phương pháp truyền thống. Tuy nhiên đồ hình lưới trắc địa về cơ bản vẫn áp dụng các đồ
hình truyền thống. Do những ưu việt của phương pháp công nghệ GPS một số tiêu chuẩn của đồ hình lưới
có thể đơn giản hơn. Dưới đây là các dạng đồ hình thông dụng:
a. Đồ hình lưới tam giác dày đặc
- Đồ hình lưới tam giác dày đặc đo nối tất cả các cạnh có thể (hình 3),
- Đồ hình lưới tam giác dày đặc chỉ đo nối các cạnh tam giác (hình 4),
14 / 26
b. Đồ hình lưới tứ giác (hình 5),
c. Đồ hình lưới đường chuyền
- Đồ hình lưới đường chuyền dạng chuỗi tam giác đo nối tất cả các cạnh có thể (hình 6),
- Đồ hình lưới đường chuyền dạng tam giác nối nhau tại 1 đỉnh (hình 7),
- Đồ hình lưới đường chuyền dạng chuỗi tứ giác (hình 8),
- Đồ hình lưới đường chuyền dạng cạnh đơn (hình 9),
Hình 3 Hình 4 Hình 5
Hình 6 Hình 7 Hình 8 Hình 9
Qua thực tế áp dụng các dạng đồ hình trên có thể nhận xét như sau:
1. Lưới trắc địa đo bằng công nghệ GPS có thể thiết kế dưới dạng lưới tam giác, tứ giác hoặc
đường chuyền.
2. Đồ hình lưới tốt nhất là đồ hình tam giác và đường chuyền chuỗi tam giác đo tất cả các
cạnh.
3. Thứ tự các loại đồ hình theo mức độ giảm dần độ chính xác như sau:
- Đồ hình lưới tam giác dày đặc đo nối tất cả các cạnh có thể;
- Đồ hình lưới đường chuyền dạng chuỗi tam giác đo nối tất cả các cạnh có thể;
- Đồ hình lưới tam giác dày đặc chỉ đo nối các cạnh tam giác;
- Đồ hình lưới tứ giác;
- Đồ hình lưới đường chuyền dạng chuỗi tam giác chỉ đo nối các cạnh tam giác;
- Đồ hình lưới đường chuyền dạng chuỗi tứ giác chỉ đo nối các cạnh tứ giác;
- Đồ hình lưới đường chuyền dạng tam giác nối nhau tại 1 đỉnh;
- Đồ hình lưới đường chuyền dạng cạnh đơn,
- 15 -
4. Có thể áp dụng các dạng đồ hình trên đây để thiết kế lưới, nhưng thời gian đo phải lớn hơn
thời gian đo tối thiểu theo thứ tự ngược lại và lưu ý các điểm khởi tính phải đo nối ít nhất với 3 điểm
khác.
5. Thời gian đo càng lớn thì độ chính xác càng tăng. Trong điều kiện Việt Nam, thời gian đo
tối thiểu đối với các cạnh dưới 5 km nên là 90 phút, các cạnh trên 5 km - 180 phút.
6. Chênh lệch độ dài các cạnh nối các điểm liền kề không được quá lớn (theo kinh nghiệm
không nên lớn hơn 1,5 lần chiều dài cạnh trung bình).
7. Góc kẹp giữa các cạnh không ảnh hưởng lớn đến độ chính xác của lưới, nhưng không nên
thiết kế góc kẹp quá nhỏ.
II.3 ĐO GPS.
Trong phần này sẽ tiến hành nghiên cứu, phân tích thời điểm và thời gian đo GPS.
Việt Nam có vị trí địa lý ở vĩ độ thấp, do đó hầu như htời điểm nào cũng có đủ tối thiểu 4 vệ tinh
GPS bay qua, tuy nhiên với thời gian đo tối thiểu đối với các cạnh có chiều dài khác nhau như đã nhận
xét ở trên, không phải thời điểm nào kết quả đo GPS cũng đạt các yêu cầu. Để dễ dàng trong việc tính
cạnh và đạt kết quả cao nhất trước khi đo GPS cần phải lập lịch đo để chọn khoảng thời gian đo tối ưu
phù hợp với số thời gian đo tối thiểu.
Việc lập lịch đo có thể tiến hành theo chương trình trong bộ phần mềm xử lý kèm theo các loại
máy GPS khác nhau (đối với các loại máy thu của hãng Intergraph là chương trình MISSION
PLANNING). Nội dung lập lịch đo là xác định kế hoạch đo hợp lý nhất với từng vị trí trên trái đất và
từng thời điểm. Chương trình lập lịch đo cho ta các biểu đồ về tất cả các chỉ tiêu của vệ tinh GPS để lựa
chọn. Các biểu đồ chính được trình bày trong các hình 10 đến hình 17.
Hình 10:Các vệ tinh GPS trên bầu trời trong 24 Hình 11: Số lượng vệ tinh trong từng thời
giờ điểm
Hình 13: Độ cao các vệ tinh so với điểm đặt máy
thu
Hình 12:Số hiệu các vệ tinh trong từng thời điểm
Hình 14:Độ chính xác vị trí vệ tinh Hình 15:Độ chính xác mặt phẳng
Hình 16: Độ chính xác độ cao vệ tinh Hình 17:Độ chính xác hình học
Từ các biểu đồ trên đây, chúng ta có thể thấy rằng đối với vị trí địa lý của Việt Nam thời điểm đo
GPS tốt nhất là vào ban đêm từ khoảng 19 giờ đến nửa đêm và từ 4 đến 7 giờ sáng, buổi chiều từ khoảng
14 đến 16 giờ. Cũng trong các khoảng thời gian trên có số vệ tinh bay qua lớn nhất (trên 8 vệ tinh).
Đối với hầu hết các lâọi máy thu đo GPS có thể tiến hành theo một trong 2 kiểu:
1. Đo nhanh (Quick Start): là chế độ bật máy và máy sẽ thu ngay tín hiệu của các vệ tinh đang có
trên bầu trời. Chế độ này không đòi hỏi một sự chuẩn bị trước nào khác.
2. Đo theo chương trình đặt trước ( Pre-Planned Start) là chế đo được chuẩn bị trước. Đo theo
chương trình có 2 loại: theo giờ định trước cho mỗi ngày và theo giờ cùng ngày định trước. Loại thứ nhất
thường dành cho việc đo trên những điểm gốc đặt cố định còn loại thứ 2 thường dùng để đo trên những
điểm dã ngoại. ở chế độ đo theo chương trình chúng ta có thể đặt trước tên điểm đo, ghi chú điểm, thời
- 16 -
gian bắt đầu đo, thời gian kết thúc đo, độ cao vệ tinh bắt đầu thu tín hiệu, số hiệu những vệ tinh máy cần
nhận tín hiệu.
Khi sử dụng chế độ đo theo chương trình (PRE - LANNED START) trên máy thu chúng ta cần
phải đặt trước tên trạm đo và thời gian đo thích hợp (xác định theo chương trình MISSION PLANNING).
Sau khi kết thúc đo chúng ta trút trị đo từ máy thu vào máy tính bằng chương trình trút số liệu
tương ứng (DOWNLOAD DATA) .
Đối với các loại máy thu của Hãng Trimble Navigation trị đo bao gồm các tập hợp (files):
T.EPH, T.MES, T.ION, T.DAT (T là tên tập hợp). Tập hợp T.EPH là tập hợp chứa lịch vệ tinh, tập hợp
T.MES chứa những thông tin bổ sung, tập hợp T.ION chứa tham số về tầng ion của khí quyển còn tập
hợp T.DAT chứa số liệu đo bao gồm pha  và thời gian t. Đối với loại máy thu của Hãng Ashtech trị đo
gồm 3 tập hợp có ký hiệu đầu là B, E và S. Tập hợp B, E tương đương với T.DAT, T.EPH, còn tập hợp S
chứa các số liệu khí tượng. Để có thể tính cạnh bằng các phần mềm khác nhau, khi trút số liệu nên
chuyển các tập hợp trị đo về dạng RINEX.
II.4 XỬ LÝ KHÁI LƯỢC CÁC TRỊ ĐO GPS (TÍNH BASELINES)
II.4.1 Nguyên lý tính cạnh (tính baselines)
Tín hiệu vệ tinh GPS máy thu nhận được bao gồm: số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh, giờ quốc tế
UTC, mô hình tầng điện ly, lịch và tình trạng hoạt động của các vệ tinh để xác định vị trí của vệ tinh
v.v…
Bằng các dữ liệu trên và thời gian đo được giữa thời điểm vệ tinh phát tín hiệu và thời điểm máy
thu nhận được tín hiệu ta có thể tính được khoảng cách từ máy thu (tâm ăng-ten) đến vệ tinh khoảng cách
này được gọi là giả cự ly (pseudo-range). Mô hình trị đo GPS được biểu diễn dưới dạng[4]:
p =  + c(dt-dT) + dion + dtrop (8)
Trong đó: - p là cự ly quan trắc,
-  được xác định thông qua hàm của toạ độ trạm đo và toạ dộ vệ tinh,
- c(dt-dT) là độ lệch đồng hồ vệ tinh và máy thu,
- dion + dtrop là các số hiệu chỉnh tầng điện ly và đối lưu.
Nguyên lý của việc tính cạnh đo GPS trong lưới trắc địa là giải phương
trình vec-tơ:
Rij = Rj - Ri (9)
Trong đó Rij là trị tựa quan trắc của hiệu toạ độ có hiệp phương sai là C R.
Theo nguyên lý trên việc tính cạnh (tính baselines) được thực hiên theo các bước sau đây:
Bước thứ nhất là xác định tọa độ tuyệt đối của các điểm đầu cạnh. Để làm việc này, chúng ta sử
dụng phương trình đo (1) và giải ra các tọa độ x p, yp, zp, với độ chính xác cỡ 10 m.
Bước tiếp theo là xác định sai số tọa độ giữa các điểm mặt đất. Trong bước này chúng ta có thể
sử dụng công thức (6) để thiết lập hệ thống phương trình đo dưới dạng:
V= a1x1 + a2x2 + L (10)
Trong đó:
x1 - Vector tọa độ các trạm mặt đất.
x2 - Vector tham số mô tả các mô hình ảnh hưởng hệ thống.
P(t), s(t) và p, A1, A2 - Các ma trận hệ số.
V - Vector số hiệu chỉnh.
L - Vector số hạng tự do.
Để giải hệ thống (8) chúng ta sử dụng phương pháp sai phân. Nội dung của phương pháp là tìm
ma trận D trực giao với ma trận A 2 và nhân 2 vế của (8) với D. Chúng ta có:
DV = DA1x1 - DL (11)
hay V = A1x1 - L (12)
Trong đó V = DV, A1 = DA1, L=DL nếu L trong (8) là các trị đo có cùng độ chính xác thì hệ (9)
sẽ có phương trình chuẩn:
(A1TDT (DDT)-1DA1)X1 = (ATDT(DDT)-1D)L (13)
- 17 -
Ma trận D được gọi là ma trận sai phân và yêu cầu phải có dạng đầy (để ma trận DD T có dạng
ngược). Vấn đề đặt ra là phải xác định được ma trận sai phân D. Việc này sẽ được giải quyết nếu chúng
ta lưu ý tới các trị đo từ nhiều điểm mặt đất tới vệ tinh ở nhiều thời điểm khác nhau.
Theo hướng này chúng ta phân ra 3 loại toán tử sai phân:
1. Toán tử  - hiệu trị đo giữa 2 vệ tinh và một trạm mặt đất, toán tử này loại trừ ảnh hưởng hệ
thống của trạm đo p(t).
2. Toán tử  - hiệu trị đo giữa 2 trạm mặt đất và 1 vệ tinh, toán tử này loại trừ ảnh hưởng hệ
thống của vệ tinh s(t).
3. Toán tử  - hiệu trị đo giữa 2 thời điểm liền nhau giữa 1 vệ tinh và 1 trạm mặt đất, toán tử này
loại trừ ảnh hưởng hệ thống hằng số sp.
Các toán tử sai phân này gọi là sai phân bậc 1 (single difference). Tích của các loại toán tử sai
phân bậc 1 chúng ta có toán tử sai phân bậc 2 (double difference).
1.  và  loại từ ảnh hưởng của p(t) và s(t).
2.  và  loại từ ảnh hưởng của p(t) và s(t).
3.  và  loại trừ ảnh hưởng của s(t) s(t) tích hỗn hợp của 3 loại toán tử sai phân bậc 1 ta có
toán tử sai phân bậc 3 (triple difference). Các toán tử này có dạng , , , , ,  đều
loại trừ cả 3 ảnh hưởng hệ thống p(t), s(t) và .
II.4.2 Phần mềm tính khái lược (tính cạnh)
Theo nguyên lý trình bày trên đây, có nhiều phần mềm được xây dựng để xử lý số liệu đo GPS.
Hầu hết các phần mềm được cung cấp kèm theo máy thu GPS. Trong khuôn khổ đề tài này chỉ nghiên
cứu thử nghiệm các phần mềm xử lý số liệu đo GPS để thành lập lưới trắc địa.
Sự khác nhau của các hệ thống phần mềm tính cạnh chỉ thể hiện ở chỗ chọn loại toán tử sai phân
nào cho phù hợp. Ví dụ chương trình của Remondi (1984) chọn loại toán tử sai phân bậc 1: , chương
trình của Vanicek (1985) chọn toán tử sai phân bậc 2: , còn chương trình của Eren (1987) chọn toán
tử sai phân bậc 3: .
Đối với các tập hợp trị đo hoàn toàn lý tưởng (không bị nhiễu) thì chúng ta có thể tự động hóa từ
đầu đến cuối. Rất đáng tiếc là tập hợp trị đo nói trên có nhiễu, trong trường hợp này chúng ta phải dùng
chế độ không tự động. Trong chế độ này người tính phải có nhiều kinh nghiệm để quyết định loại bỏ số
liệu bị đứt đoạn, quyết định số lần lặp v.v... Điều quan trọng nhất là bằng những kinh nghiệm đã có
chúng ta có thể tìm nhanh chóng được lời giải thỏa mãn các tiêu chuẩn đã đặt ra ở phần trên. Độ sạch của
số liệu càng lớn thì quá trình tính toán càng nhanh. Độ sạch càng thấp thì tính toán càng lâu và thấp tới
mức nào đấy thì sẽ không tìm thấy lời giải thỏa đáng.
Ở Việt Nam hiện nay các máy thu GPS sử dụng cho mục đích xây dựng lưới trắc địa chủ yếu là
máy thu của Hãng Trimble Navigation, do đó trong phần dưới đây sẽ trình bày kết quả thử nghiệm để rút
ra các chỉ tiêu xử lý số liệu đo GPS bằng 2 phần mềm của Hãng Trimble Navigation: TRIMVEC PLUS
và WAVE.
Phần mềm TRIMVEC PLUS
Phần mềm TRIMVEC PLUS là một bộ chương trình gồm 2 chương trình:
 TRIM640: Là chương trình dùng để xử lý từng cạnh đơn - Xác định ra một vector giữa 2
điểm trong không gian.
 TRIMMBP: Là chương trình có thể xử lý nhiều cạnh trong không gian - Xác định ra các
vector giữa nhiều điểm trong không gian.
Cả hai chương trình có thao tác tương đối giống nhau nhưng lại cho ra các kết quả khác nhau.
Ngoài ra, TRIM640 có chạy nhanh hơn đôi chút so với TRIMMBP. Trong thực tế người ta thường sử
dụng TRIM640 trong các trường hợp kiểm tra chất lượng đo ở ngoại nghiệp.
Sử dụng phần mềm TRIMVEC PLUS ta có thể tính toán các đại lượng sau đây:
PSEUDO - RANGE: Cho phép tính toán tọa độ tuyệt đối của từng điểm.
TRIPLE SOLUTION: Cho ta lời giải theo phương pháp sử dụng sai phân bậc 3 . Lời giải
này có độ chính xác không cao khi khoảng cách ngắn. Lời giải có xác suất tốt hơn với khoảng cách lớn
hơn 50 km. Lời giải này có tên là lời giải TRIPLE.
FLOAT SOLUTION: Cho ta lời giải theo phương pháp sử dụng sai phân bậc 2 . Lời giải có
xác suất tốt hơn với khoảng cách nhỏ hơn 50 km. Lời giải này mang tên FLOAT.
- 18 -
FIXED SOLUTION: Cho ta lời giải theo phương pháp sử dụng sai phân bậc 2 . Lời giải này
khác với những lời giải TRIPLE và FLOAT là có thêm phần kiểm định tiêu chuẩn Fisher giữa các nhóm
trị đo để khẳng định độ tin cậy của lời giải. Lời giải này mang tên FIX.
Trong trường hợp các trị đo không bị nhiễu thì các lời giải hoàn toàn trùng nhau. Đó là trường
hợp lý tưởng. Thực tế trị đo luôn luôn có nhiễu ở những mức độ khác nhau vì lý do này các lời giải khác
nhau. Vì lời giải FIX có khả năng phân tích phương sai để kiểm định chất lượng theo tiêu chuẩn Fisher,
nên lời giải này có độ tin cậy lớn nhất. Lời giải FIX đưa ra các tham số về độ chính xác lời giải: RDOP
(Relative Dillution of Position - đơn vị chu kỳ/mét), RMS (Root Mean Square - đơn vị chu kỳ, một chu
kỳ=19 cm),  (phương sai của vị trí điểm tương hỗ), RATIO - độ tin cậy của lời giải, F - chuẩn Fisher.
Thông thường, các lời giải FLOAT và TRIPLE nếu sử dụng phải thực hiện thông qua việc xử lý bán tự
động.
Kết quả tính cạnh cần đạt các chỉ tiêu sau đây:
 Ratio cần phải lớn hơn 3.0;
 RDOP < 0.1;
 RMS là sai số xác định chiều dài cạnh, yêu cầu RMS phải thỏa mãn các tiêu chuẩn trong bảng 9.
Bảng 9: Chỉ tiêu RMS
Khoảng cách (km) RMS
00 - 10 0.020 - 0.060
10 - 20 0.060 - 0.090
20 - 30 0.090 - 0.115
30 - 40 0.115 - 0.140
40 - 60 0.140 - 0.170
 là sai số tương hỗ vị trí điểm, 2 loại sai số này phải nhỏ hơn sai số yêu cầu của mạng lưới cần
đo.
Chuẩn Fisher F là một đại lượng thỏa mãn điều kiện F>3-0.02D km. Khi các tiêu chuẩn trên đã
được thỏa mãn thì lời giải FIX được coi là có độ tin cậy 99,99%. Trong những trường hợp các tiêu chuẩn
trên bị vi phạm từ 1 tới 1.5 lần giá trị chuẩn đã cho thì các lời giải FIX cần phải được cân nhắc (độ tin
cậy có thể giảm tới mức 90%). Lúc này ta có thể cân nhắc giữa lời giải FLOAT và FIX (với khoảng cách
50 km) hoặc giữa lời giải TRIPLE và FIX (với khoảng cách 50 km). Việc cân nhắc này được quyết định
thông qua sai số các vòng khép tọa độ. Nếu các tiêu chuẩn của lời giải FIX, FLOAT và TRIPLE bị vi
phạm quá 1.5 lần giá trị chuẩn đã cho thì lời giải coi như bị loại bỏ, tức là phải đo lại.
Ngoài ra cần lưu ý các chỉ tiêu sau đây:
 RMS cần phải nhỏ hơn 0.05 cho các cạnh có chiều dài nhỏ hơn 10km hoặc 0.08 cho các cạnh có
chiều dài đến 20km.
 Sự khác biệt các thành phần dx, dy, dz giữa lời giải FLOAT và lời giải FIXED cần phải nhỏ hơn
10 cm đối với các cạnh nhỏ hơn 10km.
 Đối với các cạnh có chiều dài lớn hơn 20km trị đo phải được đo tối thiểu 90 phút, đồng thời phải
có ít nhất 4 hoặc 5 vệ tinh liên tục.
 Nếu rms lớn hơn 0.05 đối với cạnh có chiều dài nhỏ hơn 10km cần phải tiến hành xử lý lại bằng
phương pháp bán tự động.
 Đối với các cạnh dài khi lời giải FIX không đạt được thì nên sử dụng lời giải float.
 Đối với các cạnh có chiều dài lớn hơn 60km cần xử lý bán tự động và sử dụng lời giải TRIPLE.
 Thông thường khi tính cạnh điểm đầu cạnh cần có toạ độ trong hệ WGS-84 với độ chính xác cỡ
100m (đối với cạnh ngắn) và 10m (đối với cạnh dài). Toạ độ này nhận được thông qua thực đơn tính
PSEUDO-RANGE của chương trình. Kết quả tính cạnh tốt nhất đạt được khi toạ độ điểm đầu cạnh có
độ chính xác cỡ 1-2 m, đồng thời các cạnh trong lưới được tính lan truyền. Yêu cầu này hoàn toàn
thực hiện được vì mạng lưới hạng I, II của ta đã được bình sai theo hệ WGS-84 quốc tế và toạ độ B, L
và H có sai số cỡ 1-2 m so với các điểm trong hệ toạ độ quốc tế IGS.
Phần mềm WAVE
WAVE - Weighted Ambiguity Vector Estimator, là một chương trình có chức năng xử lý trị đo
GPS trong bộ phần mềm GPSURVEY. WAVE chạy trong môi trường Windows có khả năng xử lý các trị
- 19 -
đo tĩnh (Static), đo tĩnh nhanh (FastStatic) hoặc các trị đo động. Các trị đo phase và trị đo code được sử
dụng để tạo ra các vector có độ chính xác cao giữa 2 điểm trong không gian. Điểm nổi bật của nó là có
thể xử lý các trị đo lớn, đồng thời xử lý tất cả các vệ tinh, trong khi TRIMMBP chỉ xử lý được tối đa là 9
vệ tinh.
Phần mềm WAVE còn đưa ra thêm một chỉ tiêu khác để đánh giá kết quả tính cạnh, đó là độ
lệch tham khảo (reference variance). Qua các kết quả tính toán thử nghiệm có thể rút ra quy định về chỉ
tiêu này trong bảng 10.
Bảng 10: Chỉ tiêu Reference Variance
Chiều dài cạnh Reference Variance
(km) Máy 2 tần số Máy 1 tần số
1 - 30 <5.0 <20.0
> 30 <10.0 <30.0
II.5 BÌNH SAI LƯỚI TRẮC ĐỊA ĐO BẰNG CÔNG NGHỆ GPS.
Như đã trình bày ở trên có nhiều phần mềm được xây dựng để bình sai lưới trắc địa đo bằng GPS
được cung cấp kèm theo máy thu GPS, ở Việt Nam hiện nay các máy thu GPS sử dụng cho mục đích xây
dựng lưới trắc địa chủ yếu là máy thu của Hãng Trimble Navigation, do đó trong phần dưới đây sẽ trình
bày kết quả thử nghiệm bình sai lưới trắc địa bằng phần mềm của Hãng Trimble Navigation:
TRIMNET+.
Phần mềm TRIMNET+ có các chức năng chính sau đây:
 Xây dựng lưới từ kết quả tính cạnh;
 Bình sai không gian trong hệ toạ độ trắc địa;
 Bình sai trong hệ toạ độ phẳng;
 Bình sai lưới đo bằng phương pháp truyền thống;
 Bình sai kết hợp 2 loại lưới: đo bằng công nghệ GPS và đo bằng phương pháp truyền thống;
 Xây dựng mô hình Geoid.
Từ kết quả nghiên cứu thử nghiệm bình sai một số mạng lưới GPS có thể rút ra trình tự tính toán
bình sai các mạng lưới GPS như sau:
1. Các cạnh đo GPS được tính độc lập theo phần mềm TRIMVEC PLUS (hoặc các phần mềm
tương ứng ). Các chỉ tiêu RMS, RDOP và RATIO phải đạt hạn sai qui định.
2. Kết quả xử lý tất cả các cạnh trong mạng lưới đã được đưa vào bình sai không gian theo phần
mềm TRIMNET trong hệ WGS-84.
3. Chuyển từ hệ WGS-84 về hệ tọa độ địa phương (về hệ tọa độ Nhà nước Việt nam).
Việc tính chuyển tọa độ giữa hệ WGS-84 về hệ tọa độ Nhà nước Việt nam tiến hành trên cơ sở
coi hai hệ trục tọa độ không gian song song với nhau.
Do đó các thông số tính chuyển được xác định như sau:
(14)
4. Sử dụng các điểm đã biết các giá trị tọa độ mặt phẳng và giá trị độ cao trắc địa đã được xác
định trong bước tính chuyển H = h + N - N là độ cao Geoid, làm khởi tính tiến hành bình sai lưới theo
phần mềm TRIMNET.
Việc bình sai mạng lưới được tiến hành theo thuật toán tóm tắt sau đây:
Trị đo GPS
Ax + 1 = V Hệ phương trình sai số với trọng số P
N = ATPA Hệ phương trình chuẩn
Nghiệm
- 20 -